1886-90-ben végezte el a Ludovika Akadémia tényleges állományú tisztképző tanfolyamát, 1896-ban Budapesten felsőbb tiszti tanfolyamot végzett. 1911-13-ban a budapesti egyetem rendkívüli hallgatójaként történelmet tanult. 1891-ben hadnaggyá, 1901-ben századossá avatták. 1890-től csapatszolgálatot teljesített, 1901-07-ben a pécsi hadapródiskola segédtisztje, majd tanára. 1907-13-ban a honvéd gazdasági tisztiiskola tanára, majd parancsnoka. 1913-tól a Ludovika Akadémián a katonai földrajz tanára és könyvtárának vezetője. 1920-tól alezredesi, 1921-től ezredesi rangban a Hadtörténeti Levéltár és Múzeum általa megszervezett könyvtárának igazgatója. 1920-tól a vidéki katonai könyvtárak felügyelője. 1925-ben nyugdíjazták.
Főként újkori magyar hadtörténelemmel foglalkozott. Hadtörténetírói mivoltában nem járt kitaposott nyomokon, hanem minden munkájában olyan részleteket igyekezett - önálló és széles körű forráskutatások alapján - megvilágítani, amelyeket az előtte járt kutatók és feldolgozók vagy mellőztek, vagy pedig tévesen bíráltak el. Egyik legfőbb törekvése volt, hogy a magyar katona sokszor támadott becsületét megvédje s a világ minden táján kitüntetett vitézségét megismertesse a felnövekvő nemzedékkel. 1908-ban jelent meg A katonai szellem ébresztése és fejlesztése című pályadíjas tanulmánya, amelyben a hadtörténelem szerepéről elmélkedett a nemzet és a hadsereg tevékenységében. Részletes programot is kidolgozott, hogy 'a hadtörténelem anyagát miként kellene célunkra felhasználni': a katonai tanintézetekben, a tisztikarban, a tartalékos tiszti állományban, a legénységnél és a társadalomban. Egy év múlva közreadta első hadtörténelmi tanulmányát Magyar csapatok előörsi harca a solferinói csatában címmel, amit aztán a gondos forráskutatásokon alapuló művek hosszú sora követett.
A bécsi Hadilevéltárban végzett kutatásai alapján írta meg legkiválóbb művét, A magyar csapatok az 1812. évi hadjáratban címen, amely elnyerte a MTA Hadtörténeti Bizottságának pályadíját és megjelent a Hadtörténelmi Közlemények 1913. évfolyamában. Sikeres munkái közé tartozik Az 1813. évi hermagori ütközet című dolgozata (1917) és A budai katonai törvényszék működése 1755-től 1848-ig című székfoglaló értekezése (1918). Székfoglalójában egy új kutatási területre hívta fel az egyetemes és a magyar hadtörténetírás figyelmét. Kimutatta, hogy a hadbírósági iratok, okmányok alapján megismerhetővé válik a hadsereg belső élete. Emellett nagy számban írt ismeretterjesztő katonai, hadtudományi és hadtörténeti cikkeket és tanulmányokat, amelyek 1915-16-ban a Budapesti Hírlap, a Külügy-Hadügy, A Hadsereg, Az őrszem, A honvéd és más lapok hasábjain jelentek meg. Önálló népszerűsítő munkái közül az elsőt 1914-ben adta ki Mit kell tudnunk a háborúról címen. Az első világháború eseményeit tárgyalta az 1917-ben kiadott A modern aviatika, a légi járművek szereplése a világháborúban címmel.
1914-23-ban a Hadtörténelmi Közlemények, 1919-20-ban a MOVE, 1920-ban a Magyar Mars, 1920-21-ben a Magyar Katonai Közlöny, 1921-23-ban a Szózat folyóiratok rovatvezetője, illetve szerkesztője. Az MTA levelező tagja 1918. május 2-től, rendes tagja 1935. május 16-tól. Akadémiai székfoglalóját A budai katonai törvényszék működése 1795-1848-ig címmel 1918. június 17-én tartotta. Szinte halála napjáig, 1937. szeptember 27-ig dolgozott A magyar csapatok szerepe az 1813. évi lipcsei csatában című, rendes tagi székfoglaló értekezésén, de ez az utolsó munkája befejezetlen maradt.
Fő művei: A katonai szellem ébresztése és fejlesztése. Magyar Katonai Közlöny, 1908.; Magyar csapatok az 1812. évi hadjáratban. Hadtörténelmi Közlemények, 1913.; Ausztria-Magyarország hadereje. Bp., 1914.; Az 1813. évi hermagori ütközet. In: Emlékkönyv Fejérpataky László életének hatvanadik évfordulója ünnepére. Szerk.: Szentpétery Imre. Bp., 1917.; A budai katonai törvényszék működése 1795-1848-ig. Akadémiai Értesítő, 1918.; Horthy Miklós. Bp., 1928., 2. kiad. 1929.; Hadifogoly magyarok története. Bp., 1930.; A magyar katona. Vitézségünk ezer éve. Szerk. Gyalókay Jenővel, Lukinich Imrével. I-II. Bp., 1933.; A hírszerzés és kémkedés története. Szerk. Bp., 1936., reprint kiad. 1998.
Róla szóló irodalom: Gyalókay Jenő: Pilch Jenő. Századok, 1937.; Markó Árpád: Pilch Jenő ezredes halála. Magyar Katonai Szemle, 1937.; Markó Árpád: Pilch Jenő. Budapesti Szemle, 1942.; Ács Tibor: A katonai szellem ébresztése. (Pilch Jenő tudományos hagyatéka.) Hadtudomány, 2001.
